四川极端性暴雨的研究进展及新认识

长期以来,具有陡峭地形特色的四川极端性暴雨一直是预报的难点,不仅破坏性强,而且经常诱发洪水、山洪、泥石流、塌方等次生灾害。本文聚焦于近年四川极端性暴雨研究,从观测、机理及预警预报技术等方面进行回顾。总结得出:四川极端性暴雨主要与中尺度对流系统(Mesoscale Convection Systems,MCSs)活动有关,不同区域中暴雨发生机制存在差异,其中盆地西部极端暴雨与双次级垂直环流调控机制有关;盆地东部极端暴雨与中尺度涡旋发展或涡—涡耦合引起的大螺旋度作用有关;攀西地区极端暴雨则与盆地东北风和低纬暖湿西南气流在大凉山附近形成的动力性地形切变有关。在预报预警技术方面,得益于卫星、雷达及高分辨率数值模式支撑,以及各类预报订正技术改进,使得四川复杂地形区的极端性暴雨水平有了显著提升,但百米级分辨率的定量预报仍需加强。

南亚高压和西太平洋副热带高压的变化及其与降水的联系

利用NCEP/NCAR再分析资料和我国160站月降水资料,分析了南亚高压与西太平洋副热带高压(下称西太副高)在不同时间尺度上的关系及对降水的影响。结果表明,南亚高压东伸指数存在3～6年、10～15年和20年以上的周期变化,西太副高西伸指数存在3～6年和20年以上的周期变化。其中在3～6年尺度和10～15年尺度上,南亚高压东伸(西退)与西太副高西伸(东退)关系更为明显,并以1980-1990年代的位相关系最好。交叉谱分析表明,在10～15年左右,3年及6年的周期上,两者的关系显著。进一步分析两者与同期降水的关系表明,在10～15年尺度上,南亚高压与我国长江流域的降水关系最好,为正相关,但在这一尺度上,西太副高与该流域降水关系不显著,说明在一定程度上长江流域降水年代际变化与南亚高压联系更为密切。因此,在10～15年尺度上,南亚高压可作为预测长江流域降水年代际变化的一个参考信号。

夏季南亚高压与川渝地区降水的关系研究

利用我国160个测站中川渝地区的代表站及NCEP/NCAR再分析资料,研究了盛夏川渝地区降水与南亚高压东西振荡关系及其可能产生的影响。结果表明:川渝降水变化存在与南亚高压相适应的时间尺度,即准5年尺度、准10年尺度。在准5年尺度上,20世纪90年代中期以前,南亚高压东西振荡表现的位相与盆地东部降水变化位相相反,与盆地西部降水变化呈正位相,90年代末期以后与川渝地区降水变化位相趋势一致,但与四川西部高原降水的位相关系对应不明显。在年代际尺度,川渝盆地东、西部和川西高原三地降水变化存在与南亚高压东西振荡相一致的位相,说明年代际尺度变化中,当南亚高压长期表现为东伸模态,川渝降水呈总体偏多趋势。同时,川渝地区的降水变化与100hPa上高压两侧及中低层四川上空风场变化有显著的遥相关,在"东涝西旱"年份,南亚高压16800 gpm线位于四川与重庆交界上空,在"西涝东旱"年份,南亚高压16800 gpm线位于湖北西部上空,在两地降水差异显著年,南亚高压东西振荡主要表现在川渝盆地上空摆动,用16800 gpm线定义的东西振荡指数对认识川渝地区降水异常有很好的指示意义。

“12.7.22”四川暴雨的MCS特征及对短时强降雨的影响

利用FY2D卫星云图云顶亮温(TBB)资料、雷达回波产品和常规气象观测资料、地面自动站降水资料及NCEP 1°×1°逐6 h再分析资料,对2012年7月21-22日四川暴雨中的中尺度对流系统(MCS)特征及其对短时强降雨影响进行分析,结果表明:(1)这次暴雨过程在21日00-06时和21日21时至22日03时有两个明显的6 h短时强降雨阶段。第一阶段中,500 hPa高原涡与700 hPa低涡切变线、低空急流作用,引发盆地西部短时强降雨;第二阶段中,500 hPa高原涡与700 hPa西南涡作用,引发盆地南部短时强降雨。(2)短时强降雨通常由MCS中的深对流特征造成,水平尺度多为β中尺度或更小的γ中尺度系统,具有云顶亮温低、雷达反射率因子大和垂直累积液态水含量高等特点。(3)探空资料分析表明,MCS增长初期,大气不稳定能量高,存在风垂直切变,在低层冷暖平流交汇明显且温度梯度大的区域,有利于激发MCS生成,另外高低层系统作用产生的深厚正涡度对其发生发展亦具有重要作用。在演变过程中MCS具有低层正涡度、负散度,高层负涡度、正散度的垂直结构,且上升速度明显,这种结构特征可能是MCS发展维持的重要因素,亦是产生强降雨的机制之一。

100hPa极涡、南亚高压的变化及大气环流分布特征

利用NCEP/NCAR高度场资料进行计算,对冬、夏极涡与南亚高压面积进行Morlet小波变换,并对100hPa高度场进行EOF分解和长期趋势分析。结果表明:极涡、南亚高压具有相似的演变特征,这种相似特征在前期冬季极涡与南亚高压之间表现更为明显,体现了准5年尺度和准20年尺度的周期变化,在变化的位相上则相反。EOF分析表明,前期冬季高纬度地区与中低纬度地区的环流变化呈相反趋势,且第一模态的时间系数与前期冬季极涡的趋势一致,第一模态在一定程度上反映了前期冬季大气环流分布。夏季第一模态全场为负值,体现了夏季100hPa整体异常性;第二模态反映了副热带中低纬度大气环流与高纬度大气环流变化相反。从其长期变化趋势来看,冬季高纬度地区的高度场呈负趋势变化,副热带地区呈正趋势变化,夏季除我国华北部分地区为负趋势变化外,均为正趋势变化。极涡、南亚高压的这种年代际变化与100hPa高度场的长期线性趋势变化有关。

夏季北半球极涡与南亚高压东西振荡的关系

利用合成分析、交叉谱和Morlet小波分析,讨论了夏季100 hPa极涡面积指数与南亚高压东西振荡间的关系。结果表明:极涡与南亚高压东伸指数之间存在显著的反相关关系,当极涡面积扩张时,南亚高压易偏西;当极涡面积收缩时,南亚高压则易东伸。交叉谱的结果也表明:二者在不同波数上,也具有显著关系,在7.5年及3年周期振动上,二者位相相差较小。同时,在南亚高压异常偏东及偏西年份,高度场、流场、温度场均有不同的配置形式,这在一定程度上反映了南亚高压偏东及偏西年不同的环流特征。

南亚高压对川渝地区盛夏极端旱涝的影响分析

利用NCEP/NCAR资料对川渝地区两个极端年1998年(涝年)和2006年(旱年)进行分析,结果表明,涝年南亚高压辐散强,脊线位置比多年平均偏南,西太平洋副热带高压(简称西太副高)主体西伸,脊线偏南;旱年南亚高压的辐散比涝年弱,脊线位置比多年平均偏北,西太副高脊线亦偏北。从动力特征来看,旱(涝)年,高层大气相对负(正)涡度平流的垂直分布有利于大气产生下沉(上升)运动,且南亚高压距平环流存在辐合(辐散),与之对应的低层存在辐散(辐合)特征;热力分析亦表明,旱(涝)年的中低层多为暖(冷)平流,具有负(正)非绝热加热特征,且非绝热加热的垂直分布特征,有利于南亚高压距平环流局部辐合(辐散)加强,并对中低层系统的垂直运动产生影响。因此,一定程度上川渝地区两个极端旱涝年的出现与其上空的垂直运动变化密切相关,是由南亚高压与中低层系统的相互配置引起的。

四川盆地一次暴雨过程的初步分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料、结合多种数值预报产品对2007年7月27—29日发生在四川盆地的大范围暴雨过程进行了分析。结果表明:这次暴雨环流不同于四川盆地常见的四种基本类型,主要表现为500 hPa中高纬度为两槽一脊并在贝加尔湖南侧伴有大范围阻塞高压,西太平洋副热带高压588线西端位于114°E附近,同时河套附近的冷涡为此次降水的发生补充了冷空气,大气低层伴有西南低涡,云南、贵州、四川一带维持一支8～12 m/s的西南急流;高层辐散、低层辐合的垂直配置及暴雨区维持的垂直环流是此次暴雨发生的动力条件;暴雨区的降水中心变化,与垂直环流的上升区域位置变化有密切关系;欧洲数值预报产品对此次暴雨发生的环流形势预报效果较好,具有很好的预报参考价值,但数值预报产品对降水量级的预报误差较大。

四川盆地“7·7”极端暴雨事件的多尺度观测分析

利用观测资料对2013年7月7-11日（简称＂7·7＂）发生于四川盆地西部的极端暴雨及局地对流条件进行分析,结果表明：（1）这次持续性暴雨由对流性降水和稳定性降水组成,前期对流明显,小时雨量大,中尺度对流系统云顶亮温低,有冷云区,PPI速度图上有逆风区,45 dBZ以上的强回波厚;中后期稳定性降水明显,小时雨量小,但持续时间长,云顶亮温较高,无冷云区,且回波强度在20-40 dBZ左右,PPI速度图上存在＂牛眼＂结构,暴雨区低层东北风强。（2）对流性与稳定性降水的转换条件与CAPE变化和垂直风切变有关,降水增强（减弱）期,有（无）CAPE值,低层风速小（大）但中高层风速大（大）,垂直风切变较强（弱）。（3）在低空南风较弱和东北风偏强的背景下,地面气旋性流场引起的辐合不仅为暴雨提供水汽,而且中尺度辐合线亦为降水发生提供了抬升机制,尤其是在热力条件和低空水汽输送不利的层结稳定阶段,地面气旋流场显得更加重要。

四川盆地持续性暴雨发生的一类环流特征研究

利用NCEP 1°×1°的资料研究了四川盆地一类持续性暴雨特征,结果表明:(1)在伴有西太平洋副热带高压西伸和其南侧有热带低压系统扰动的大气环流背景下,其水汽供应环流形势体现为东南气流输送,这主要与副高和热带低压系统相互扰动有关,而与大部分造成四川盆地暴雨的西南气流输送有差异。(2)局地涡度的变化对大尺度环流背景场的分布起到重要的作用,在副高西伸稳定的边缘,局地涡度变化为负,在槽区和热带低压扰动区域内,局地涡度变化为正,而局地涡度的正负变化,取决于涡度方程各项的变化大小,在850hPa上,雨区局地正涡度的增加可能与热带低压的局地正涡度输送有关,而这一过程可能主要由正涡度平流来完成。(3)局地正涡度变化范围和中心较好程度上对应着雨区的范围和中心,可以作为一个判断降水落区的预报要素来参考。

南亚高压活动特征及其天气气候影响研究进展

南亚高压是夏季亚洲南部对流层上层和平流层底层的一个强大而稳定的大气活动中心,是副热带高压系统中的一个重要成员,它与夏季北半球大气环流和亚洲区域天气气候关系密切。关于南亚高压的研究,气象学者进行了很多研究工作,取得一些开创性成果,并逐渐认识到南亚高压的演变对北半球及我国天气气候的重要性。通过总结南亚高压的形成原因、结构,季节变化、年际变化、东西振荡及其对我国天气、气候的影响等方面的研究成果,简要回顾了近几十年极涡的研究及其与南亚高压的一些初步关系,指出这两个系统之间的相互作用、变化规律和异常特征存在的具体关系,是一个研究较少的重要问题,应加强这方面的研究。

基于EC025配料的短时强降水概率预报产品及应用

利用ECMWF预报资料,从动力、热力、水汽、能量和降水预报5个方面选取影响短时强降水发生的因子,构建多因变量数组,并利用主成分分析确定配料系数及其阈值,在此基础上进行配料,研发了四川省短时强降水概率预报产品投入应用。结果表明:产品对盆地20mm/h以上和高原地区10mm/h以上的短时强降水落区预报效果显著。

四川雷暴大风的预报因子筛选及预报效果

利用ECMWF历史预报资料,从动力、热力、水汽、不稳定条件四个方面选取影响雷暴大风发生的因子,构建多因变量数组,并利用主成分分析确定配料系数及其阈值,在此基础上进行配料,研发了四川省雷暴大风概率预报产品投入应用。2018年汛期应用表明:雷暴大风产品对预报概率超过65%的区域有指示意义,且优于ECMWF数值预报的100 m高度风,在检验的个例中,有效命中率达25%以上。

基于SWAN产品的短时强降水雷达特征及预警分析

利用SWAN产品和自动站雨量资料,详细对比分析了2010～2012年区域性暴雨中的短时强降水雷达特征,结果表明:(1)短时强降水具有反射率因子大,液态水含量高、回波顶高,强回波厚度大等特征,在每隔6min的SWAN拼图产品中,短时强降水通常满足:3km高度处CAPPI回波≥30dBZ,组合反射率CR中心强度≥40dBZ,VIL>5kg/m2,45dBZ以上的回波中心厚度(H)≥3km,这些参数的变化可以作为短时强降水的预警临近指标。(2)现有SWAN产品中的QPE/QPF产品对未来逐小时的雨量和落区具有一定的预报能力,但QPE产品估测1h累计降水量更接近于实况雨量,在监测到有上述强回波发展时,可通过分析QPE产品和回波特征及预警指标对短时强降水过程进行预报。

一组雷达预警指标在2013年短时强降水中的应用分析

利用一组雷达阈值指标,对2013年四川盆地发生的5次区域性暴雨过程中的短时强降雨进行检验和订正,结果表明,（1）无论针对具体的站点,还是区域面上的短时强降水,预警指标对预警短时强降水是可行的,且预警时效在0 ～2h内效果较佳.（2） SWAN产品中分析显示,要产生20mm/h以上的短时强降水,满足预警指标的回波需要监测到3个6min以上,通常强回波持续越长,对应的雨量也越大.（3）针对降水面上的预警准确率除2013年7月04日15时的成功预警率在57.1％左右,其余过程中预警指标对未来1h短时强降雨的预警成功率基本在80％以上,误报率基本在20％以下,在误报的站点中,SWAN拼图中回波与单站雷达探测的回波,尤其是在低仰角度上存在较大误差.

攀西地区冕宁“6・26”突发性暴雨成因分析

相比一般暴雨,突发性暴雨一直是天气预报与研究的难点和重点。2020年6月26日19时~27日02时四川攀西地区凉山冕宁突发暴雨,造成了严重灾害。为了深入认识此次暴雨过程成因,应用观测试验、卫星遥感和ERA5再分析资料,对这次冕宁"6.26"突发性暴雨过程的温、湿环境及动力特征进行了分析研究。结果表明:(1)此次暴雨是由迅速加强的MCS造成,且诱发MCS的温、湿环境具备"突发性"。在暴雨前6~12h,CAPE快速增大、可降水量增加、"上干下湿"垂直结构及热力不稳定条件得以建立。(2)强烈的上升运动在中高层气旋性涡度向低层发展增强的过程中形成,低层气旋性涡度发展又伴随强烈的上升运动,与区域地形相关的动力条件的建立和加强对强对流维持及突发性暴雨发生有重要作用。(3)暴雨过程发生在低层螺旋度与水汽耦合的最佳时段,垂直螺旋度与水汽耦合作用的增强,更易于引发暴雨过程,动力-水汽耦合对暴雨具有重要的激发作用,且湿螺旋度对暴雨落区更具有指示意义。

2008年初四川盆地极端低温雨雪灾害的水汽汇合机制探讨

利用NCEP/NCAR资料研究了2008年1月中下旬四川盆地的极端低温雨雪灾害。结果表明:四川盆地的低温雨雪天气与南来的水汽变化及长江流域的锋生作用有密切关系,在对流层中低层700 hPa上,四川盆地长时间存在稳定的水汽辐合区,水汽辐合的时段基本与盆地冷空气活动时间段一致,这为低温降水的发生提供了水汽条件。另一方面,长江流域长时间存在一个"东西带状"分布的锋生带,这个锋生带的稳定使南来的西南水汽在四川盆地及长江流域以南地区受阻,从而形成了水汽长时间封闭,并引起了中低层的对流不稳定。因此,低层"东西向带状"锋生的长期维持使南来水汽受封闭是产生此次灾害的重要物理机制之一。

一次非典型暴雨中的MCSs特征及其形成条件

利用多种数据对2014年6月3-4日暴雨中的MCSs进行分析,结果表明：MCSs活动呈现出多尺度特征及多样化结构,即在中α-MCSs尺度中嵌套着中β-MCSs和中γ-MCSs,在形态上呈＂椭圆＂型和＂带状＂型,旧云团相互合并诱发出新的对流体是其活动的显著特点。在时间演变上,MCSs活动大致分为两个阶段,第一时段活动造成盆地南部和东北部的暴雨天气,第二时段活动造成盆地西部至南部的大雨到暴雨天气。分析MCSs的形成原因进一步表明,MCSs的发展与850h Pa盆地倒槽和暖湿南风气流极为密切,在对流层中部影响系统不明显的形势下,850h Pa倒槽及急流附近的湿、热环境及不稳定层结为对流提供了有利条件,如较大的CAPE值和上干下湿的湿度结构,K指数36℃以上,LI为负,且非地转湿Q矢量散度为负,这一序列物理量变化均是触发MCSs生成的重要因子。

应用主成分构建的暴雨致灾能力评估指数及其应用

为了构建合理的四川暴雨致灾能力评估指数(简称:评估指数),本文对2008~2018年四川地区126次致灾性暴雨过程,选取刻画暴雨特征的8个降水量因子,利用总体主成分和阈值法确立因子的权重及阈值,由此建立了评估指数模型。经历史个例反演及预报个例的评估应用表明:(1)暴雨区域的平均雨量值,≥25 mm/h的面积及大暴雨面积是影响四川暴雨致灾能力强弱的关键因子,利用主成分构建的评估指数较好的反映了历次暴雨过程的致灾能力,当指数达0.8以上时,一般对应着大型及以上暴雨灾害。(2)结合经济损失及气象灾害评估分级处置标准,将评估指数划为4个等级。基于此,利用每日08时和20时四川省气象台订正的0.05°×0.05°预报降水数据,输入评估指数模型计算未来3d的指数及对应的致灾能力落区等级空间分布。实际应用表明,评估指数模型对评估暴雨过程的整体致灾能力及具体的暴雨致灾能力落区等级分布有显著的实用性。

气候变化背景下长江源区径流变化特征及其成因分析

利用1960-2011年历年逐月长江上游通天河流域直门达水文站观测的流量资料、长江源区气象台站观测资料以及NCEP/NCAR逐月再分析资料,研究分析了长江源区径流变化特征及其气候归因.结果表明:2005年之前,长江源区年及夏、秋、冬季的平均流量呈持续下降趋势,2005年以后,长江源区年及四季的平均流量均呈显著增加趋势.其中,以夏季平均流量的增幅最为明显,年平均流量有4 a左右及12 a左右的变化周期.高原夏季风、长江源区夏季7、8月地面感热、流域降水量、蒸发量、气温及冰川和积雪融水均对长江源区流量变化有明显影响.2005年以后,长江源区年及四季的降水量呈明显的增加趋势,而蒸发量呈明显的减少趋势.同时,温度急剧上升导致的冰川和积雪融水增多,是2005年以来长江源区流量急剧增加的重要原因.